МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра радиотехнической электроники(РТЭ)

отчет

по лабораторной работе №8

по дисциплине «Вакуумная и плазменная электроника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА

В ЛАМПОВЫХ УСИЛИТЕЛЯХ

Студент гр. 4203		Юрченков М.И.
		Рыков А.А.
Преподаватель		Шануренко А.К.

Санкт-Петербург

2016

Цель работы.

Изучение режимов преобразования энергии модулированного электронного потока; определение основных параметров, характеризующих эти режимы; изучение особенностей работы лампы с колебательным контуром в анодной цепи.

Основные теоретические положения.

П

Рис1

Рис. 2.1. Преобразующее

устройство

реобразование энергии электронного потока в энергию выходного сигнала является последним из основных физических процессов, составляющих принципы действия различных по назначению электронных приборов и устройств. В ламповых усилителях этот процесс основан на взаимодействии электронного потока с электромагнитным полем и осуществляется в специальных преобразующих устройствах. В простейшем случае преобразующее устройство состоит из диодного вакуумного промежутка (или пространства) взаимодействия и подключенной к этому промежутку внешней цепи с нагрузочным (анодным) сопротивлением того или иного типа (резистором или колебательным контуром). На рис.1 представлена схема одного из таких устройств, в котором электроды промежутка взаимодействия и имеют одинаковые потенциалы ; в качестве нагрузочного сопротивления используется колебательный -контур, настроенный в резонанс на частоту управляющего напряжения, к которому через трансформаторную связь с помощью клемм может быть подключен потребитель энергии выходного сигнала. Предположим, что модулированный электронный поток, прошедший промежуток , характеризуется переменным конвекционным током . Если при этом время пролета электронов через указанный промежуток , где – период управляющего напряжения и – круговая частота, то во внешней цепи будет протекать такой же ток проводимости и создавать на колебательном контуре падение напряжения , где – активное эквивалентное сопротивление контура. В этом случае анодное напряжение будет изменяться по закону и создавать в промежутке переменное электрическое поле. Противофазное изменение тока и напряжения имеет принципиальное значение для преобразования энергии электронного потока в энергию выходного сигнала в любом электронном усилителе или в генераторе с самовозбуждением, поэтому указанное условие обычно называют генераторным режимом преобразования энергии. В данном режиме в тормозящий полупериод электрического поля в пространство взаимодействия входит большее число электронов, чем в ускоряющий полупериод, поэтому в среднем за период модулированный электронный поток отдает полю определенную энергию, которая и определяет энергетический эффект взаимодействия электронов с полем. Основными параметрами, характеризующими процесс преобразования энергии электронного потока, являются средняя преобразованная (или колебательная) мощность , выделяющаяся в нагрузочном сопротивлении; КПД преобразования и мощность рассеяния на аноде.

В квазистатическом приближении колебательная мощность определяется формулой , где и – коэффициент и амплитуда первой гармоники анодного тока, – амплитуда напряжения на нагрузочном сопротивлении.

КПД преобразования определяется как отношение колебательной мощности к средней мощности электронного потока, прошедшего через промежуток взаимодействия , т. е. , где – постоянная составляющая анодного тока, , и – коэффициенты использования анодного тока и напряжения.

Мощность рассеяния на аноде определяется как разность между средней и колебательной мощностями: .

И

Рис2

з приведенных выражений следует, что для получения максимальных значений и необходимо иметь возможно большие значения амплитуд и . При этом во избежание режима возврата и динатронного эффекта анода необходимо выполнение условия По указанной причине в мощных тетродных и пентодных усилителях обычно .

На рис.2 приведен интегральный график, иллюстрирующий явление ограничения максимальной амплитуды анодного тока в пентодном усилителе, возникающее при изменении режима токопрохождения, т. е. при переходе от режима перехвата (РП) к режиму возврата (РВ).

Основу графика составляют зависимости анодного тока и тока экранирующей сетки от потенциала на первой сетке при постоянных значениях потенциалов всех других электродов и заданном значении нагрузочного сопротивления . Поскольку указанные зависимости лежат в области , первая сетка не перехватывает электроны, поэтому катодный ток распределяется только между экранной сеткой и анодом.

Следовательно, и , где , при условии, что катодный ток не зависит от и регулируется с помощью напряжения первой сетки, изменяющегося по закону . На графике (рис.2) показан только положительный полупериод этого напряжения при трех значениях амплитуды и управлении в классе . Каждому из этих напряжений (а, б, в) соответствуют импульсы токов и . Таким образом, при увеличении возрастают ток и напряжение . Это происходит до тех пор, пока выполняется условие Когда же оно перестанет выполняться, т. е. окажется, что , наступит ограничение тока и появятся искажения формы его импульса.

В зависимости от соотношения различают три режима работы преобразующего устройства:

1) недонапряженный, характеризующийся неравенством , при котором лампа в течение всего периода управляющего напряжения работает в режиме прямого перехвата (РП), когда ;

2) критический, для которого характерно соотношение и лампа по-прежнему работает в режиме перехвата – ;

3) перенапряженный, характеризующийся неравенством , при котором лампа в течение части периода работает в режиме возврата (РВ) и поэтому ток соизмерим с током .

Из приведенных данных следует, что с энергетической точки зрения наиболее предпочтительным режимом является критический, в котором анодный ток достигает максимального значения при относительно небольших значениях тока экранирующей сетки. При этом напряжение на колебательном контуре будет также максимальным. Следует подчеркнуть, что реализовать критический режим в полной мере, т. е. достичь максимальных значений , и , можно только, используя в качестве анодного нагрузочного сопротивления резонирующий колебательный контур. При этом, во-первых, колебательный контур выделяет из тока, протекающего через него, только ту гармонику, на которую он настроен (в усилителе – на первую гармонику), благодаря чему анодное напряжение изменяется по синусоидальному закону независимо от закона изменения анодного тока, что позволяет работать в режимах управления с отсечкой катодного тока и достигать максимальных значений и . Во-вторых, постоянная составляющая анодного тока создает на колебательном контуре пренебрежимо малое падение напряжения, благодаря чему амплитуда переменного напряжения на нем может достигать значений, близких к постоянному напряжению источника питания (), или даже превосходить вследствие того, что запасенная в колебательном контуре электромагнитная энергия поддерживает в нем колебания и в отрицательный полупериод управляющего напряжения, когда ток через преобразующее устройство не проходит.

Р

Рис.3

азличие свойств резонирующего колебательного контура и резистора наглядно проиллюстрировано на рис.3, где на фоне анодных статических характеристик пентода изображены электрические характериcтики активных сопротивлений резистора и колебательного контура . Уравнение этих характеристик имеет вид и описывает прямую линию, наклоненную к оси под углом . В статическом режиме, когда на управляющую сетку подано только напряжение смещения или ) и анодный ток , это уравнение для резистора примет вид для колебательного контура –

Данные соотношения определяют координаты точек и , через которые проходят прямые и . На рис. 4.3 , и потому прямые параллельны друг другу. Точки пересечения этих прямых со статическими характеристиками связывают между собой все основные величины электрического режима: , , , поэтому они называются рабочими точками. Линия, соединяющая все рабочие точки при заданном значении и , называется анодной рабочей характеристикой. Она показывает предельно возможный диапазон изменений тока и напряжения в случае критического режима.

Сравнив максимальные значения амплитуд анодного напряжения при различных типах анодной нагрузки, можно сделать вывод о том, что в режиме колебаний 1-го рода в случае резистора , а при включении колебательного контура – . Это позволяет значительно увеличить колебательную мощность и КПД преобразующего устройства.

Рис.4.Схема измерений

Экспериментальные результаты.

1.Режим в-кк:

U_c10=-4B T=1мс; R_эо=40кОм

Таблица№1.1

2Uc1m	2UR~	Ia0	Ic20
8	220	1,7	3,5
6	200	1,7	2,1
4	170	1,25	1,3
2	52	0,5	0,7
1	25	0,3	0,6

2.Режим а-кк:

U_c10=-2B; R_эо=40кОм

Таблица№1.2

2Uc1m	2UR~	Ia0	Ic20
7,5	200	2,72	2,91
6	160	2,37	2,4
4	140	2	1,2
2	80	1,7	1,035
1	30	1,4	0,85

3.Режим а-Ra:

U_c10=-4B; Ra=39кОм

Таблица№1.3

2Uc1m	2UR~	Ia0	Ic20
5	100	1,07	2,93
3	100	1,11	1,5
1,5	70	1,12	0,77
1	60	1,12	0,66
0,5	25	1,06	0,59

Параметры триода 6Ж2П

Параметр	Значение
	120 В
	1,8 Вт
Uc3	0 B
Uc2	100В
	6 ± 2 мА

Обработка результатов эксперимента.

1.Режим в-кк:

U_c10=-4B T=1мс;R_эо=40кОм;f=793,7(Гц)

Таблица№2.1

2Uc1m		2UR~	Ia0	Ic20	ɣ		ξ	Pвых		Ра		Р0	η
8		220	1,7	3,5	1,62		0,92	0,15		0,053		0,204	0,74
6		200	1,7	2,1	1,47		0,83	0,12		0,079		0,204	0,61
4		170	1,25	1,3	1,7		0,71	0,09		0,059		0,150	0,60
2		52	0,5	0,7	1,3		0,22	0,008		0,052		0,060	0,14
1		25	0,3	0,6	1,04		0,104	0,002		0,034		0,036	0,05
γ=Ia1/Ia0 Ia1=Uma/Ra γ= Uma/IaRa=110/1,7*40=1,62
ξ=Ur/Ea=110/120=0,92
Pвых=Uma*Ia1/2=Uma2/2Ra=110*110/2*40000=0,15Вт
Po=Iа0*Ea/1000=1,7*120/1000=0,204 Вт
Pa=Po-Pвых=0,053 Вт η=Pвых/Ро=0,74

Рис.5